交通來源顆粒物粒徑分布特征及其排放因子研究

胡 宇 商正松 王金樂 肖勁松

(1.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 貴陽 550081； 2.貴州省水產(chǎn)科學(xué)研究所， 貴陽 550005)

交通來源顆粒物粒徑分布特征及其排放因子研究

胡 宇1商正松1王金樂2肖勁松1

(1.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 貴陽 550081； 2.貴州省水產(chǎn)科學(xué)研究所， 貴陽 550005)

貴陽市大關(guān)隧道交通顆粒物排放以0.3 μm顆粒為主，占總顆粒物數(shù)濃度的84%，粒徑在2.5 μm、5.0 μm和10.0 μm的顆粒物占總顆粒物質(zhì)量濃度的權(quán)重較大，3個(gè)粒徑顆粒物質(zhì)量濃度占總顆粒物質(zhì)量濃度的94%。貴陽機(jī)動(dòng)車道路排放因子PM2.5為0.017 g/km,PM10為0.334 g/km。

顆粒物；排放因子

隧道法是測(cè)定交通揚(yáng)塵排放因子的重要方法之一。其基本原理是在隧道內(nèi)除了機(jī)動(dòng)車行駛所造成的污染外沒有其它污染源的情況下，通過測(cè)定出隧道內(nèi)顆粒物的濃度，扣除進(jìn)入隧道空氣中顆粒物的環(huán)境本底濃度，則可計(jì)算得出交通顆粒物排放因子[1]。利用這種方法得出的機(jī)動(dòng)車污染物排放因子是代表車流在真實(shí)道路和真實(shí)行駛狀態(tài)下污染物的整體排放水平,具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,20世紀(jì)80年代以來這種方法被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用[2]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 隧道的地理位置

貴陽黔靈山路大關(guān)隧道位于貴陽市老城區(qū)北部與觀山湖新城區(qū)結(jié)合部隧道左線(老城區(qū)進(jìn)入觀山湖區(qū))長(zhǎng)974 m，右線(觀山湖區(qū)進(jìn)入老城區(qū)方向)長(zhǎng)983.41 m，隧道內(nèi)輪廓拱頂高8 m，凈寬14.99 m，內(nèi)凈空面積96.3 m2[3]。本研究隧道為右線，觀測(cè)時(shí)處于自然通風(fēng)。

1.2 采樣時(shí)間與方法

采樣時(shí)間：2014-4-18至2014-5-3日，設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以隧道入口為背景參照點(diǎn)，在隧道中部設(shè)置1個(gè)監(jiān)控采樣點(diǎn)，隧道出口設(shè)立第3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用Lighthouse國(guó)際有限公司的Lighthouse HANDHELD 3016型監(jiān)測(cè)儀對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境空氣進(jìn)行觀測(cè)。顆粒物質(zhì)量濃度和顆粒數(shù)濃度分別采集30個(gè)觀測(cè)值，儀器自動(dòng)計(jì)算均值，同時(shí)人工記錄采樣時(shí)機(jī)動(dòng)車流量和機(jī)動(dòng)車類型，觀測(cè)風(fēng)速。

1.3 數(shù)據(jù)處理

排放因子的估算方法[1]如下：

式中：Q:污染物總質(zhì)量,g；A:隧道截面積，96.3 m2；t:采樣時(shí)間，s；V:平均風(fēng)速，m/s；Ct,C0:隧道出口，入口監(jiān)測(cè)值；EF：排放因子,g/km；N:標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù);L：隧道長(zhǎng)，km。

2 結(jié)果與討論

2.1 隧道空氣質(zhì)量

隧道顆粒物數(shù)濃度與顆粒物粒徑呈反相關(guān)關(guān)系，顆粒物數(shù)濃度隨粒徑增加而減少(見圖1(a))。隧道空氣中粒徑在0.3～1.0 μm顆粒物占總顆粒物數(shù)濃度的98%，粒徑0.3 μm的顆粒物是主要的顆粒物(見圖2(a))占隧道空氣總顆粒物84%。顆粒物質(zhì)量濃度和PM質(zhì)量濃度與顆粒物粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，隧道空氣顆粒物質(zhì)量濃度和PM質(zhì)量濃度隨粒徑增加而增加(見圖1(b)、1(c))，隧道空氣中粒徑在2.5～10 μm顆粒物貢獻(xiàn)了94%質(zhì)量濃度，其中5 μm是主要的粒子，貢獻(xiàn)了39%的質(zhì)量濃度(見圖2(b))。隧道空氣顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)濃度的變化趨勢(shì)與其他研究者結(jié)果相似[4-9]。

2.2 道路排放因子

根據(jù)公式1和公式2計(jì)算結(jié)果見圖3，不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)濃度排放因子呈反相關(guān)關(guān)系：數(shù)濃度排放因子隨粒徑的增加濃度降低，質(zhì)量濃度排放因子隨粒徑的增加濃度增加。如圖4所示：粒徑0.3、0.5、1.0 μm數(shù)濃度排放因子分別占綜合數(shù)濃度排放因子的43%、28%和14%。粒徑5.0、10.0 μm質(zhì)量濃度排放因子分別占綜合質(zhì)量排放因子的41%和36%。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度排放因子分別為0.017 g/km和0.334 g/km。質(zhì)量濃度排放因子和數(shù)濃度排放因子分布情況與國(guó)內(nèi)外其他研究結(jié)果相似[10-11]。質(zhì)量濃度排放因子和數(shù)濃度排放因子的累計(jì)濃度排放因子隨粒徑的增加而增加。

2.3 討論

相關(guān)分析結(jié)果(見表1)表明，粒徑在0.3 μm的顆粒物僅與粒徑在0.5 μm的顆粒物達(dá)到顯著相關(guān)，與其他粒徑大于0.5 μm的顆粒物不相關(guān)；粒徑在0.5 μm顆粒物分別與粒徑在1.0、2.5、5.0 μm的顆粒物達(dá)到極顯著相關(guān)，與粒徑在10.0 μm的顆粒物達(dá)到極顯著相關(guān)，表明粒徑在0.5 μm的顆粒物與粒徑在1.0、2.5、5.0 μm的顆粒物來源關(guān)系密切。粒徑在1.0、2.5、5.0 μm的顆粒物互相達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，表明這些顆粒物來源關(guān)系密切。

(a) 不同粒徑顆粒物數(shù)濃度

(b) 不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度

(c) PM質(zhì)量濃度圖1 隧道空氣質(zhì)量

(a) 數(shù)濃度

(b) 質(zhì)量濃度圖2 顆粒物粒徑結(jié)構(gòu)關(guān)系

(a) 不同粒徑顆粒物排放因子

(b) 不同PM顆粒物排放因子圖3 顆粒物排放因子

(a) 數(shù)濃度排放因子

(b) 不同質(zhì)量濃度排放因子圖4 顆粒物排放因子構(gòu)成

表1 不同粒徑顆粒物相關(guān)關(guān)系

機(jī)動(dòng)車排放顆粒物來源包括燃料燃燒所產(chǎn)生的一次和二次顆粒物，機(jī)動(dòng)車燃料燃燒要排放出上百種不同性質(zhì)的化合物，通常對(duì)大氣產(chǎn)生污染的物質(zhì)主要是CO、HC、NOx、有機(jī)酸、顆粒物，少量的SO2和NH3二次顆粒物的反應(yīng)物。另一類是由于機(jī)動(dòng)車在行駛過程中非燃料燃燒的顆粒物：制動(dòng)片的磨粒、輪胎橡膠與路面材料的磨粒、粉粒料等運(yùn)輸過程中產(chǎn)生飛散和機(jī)動(dòng)車車身與底盤部位的污垢和塵土等在行駛時(shí)撒落地面，以及機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)的氣流擾動(dòng)將路面積塵吸出而引起塵土等顆粒物的二次揚(yáng)塵。一般粒徑在PM0.5顆粒物以燃料燃燒所產(chǎn)生的一次和二次顆粒物為主，大于PM1顆粒物以礦物鹽即揚(yáng)塵為主[7-9]。因此，本研究0.3 μm粒徑段的顆粒物濃度與1.0、2.5、5.0、10.0 μm的顆粒物的相關(guān)性不好是因?yàn)閬碓床煌?。粒?.0、2.5、5.0、10.0 μm的顆粒物可能來自礦物鹽和揚(yáng)塵為主，因此相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[10]，土壤塵是隧道細(xì)粒子的主要來源，占隧道細(xì)粒子質(zhì)量濃度元素濃度總量的87%。黔靈山路大關(guān)隧道質(zhì)量濃度主要是粒徑2.5～10.0 μm粒子貢獻(xiàn)，且這些粒子的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，按照類比分析可以斷定黔靈山路大關(guān)隧道質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)主要來自土壤揚(yáng)塵。

有研究認(rèn)為，SO2、硫酸霧、多環(huán)芳烴(PAHs)及致病微生物等都可以附著在顆粒物表面，能吸附空氣中的氣態(tài)或液態(tài)污染物并進(jìn)入人體的呼吸道，粒徑越小的顆粒物，相對(duì)表面積越大，在相同質(zhì)量下，細(xì)微顆粒物所吸附的有害物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于粗顆粒物。并且由于細(xì)顆粒的粒徑小，能沉積在呼吸道深部肺泡內(nèi)，存留時(shí)間可達(dá)數(shù)周至數(shù)年，比粒徑較大的顆粒物的危害更大，同時(shí)細(xì)粒子是造成能見度降低的主要因子，也是我國(guó)大城市灰霾污染嚴(yán)重的元兇[7]。貴陽黔靈山路大關(guān)隧道機(jī)動(dòng)車道路細(xì)顆粒物排放特征表明，機(jī)動(dòng)車道路顆粒物排放以1.0 μm以下的細(xì)粒子為主，質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)者來自2.5 μm以上的粒子。當(dāng)前以削減PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的控制機(jī)動(dòng)車顆粒物排放對(duì)策不全面，控制機(jī)動(dòng)車道路排放要以控制質(zhì)量濃度和數(shù)濃度相結(jié)合的削減措施，才能有效地降低大氣顆粒物對(duì)人體健康的危害。同時(shí)提醒我們城市機(jī)動(dòng)車保有量的快速增加，給城市環(huán)境空氣質(zhì)量的改善帶來不斷增加的壓力和挑戰(zhàn)，關(guān)注環(huán)境空氣質(zhì)量不能只關(guān)注環(huán)境空氣顆粒物質(zhì)量濃度的變化，也要關(guān)注環(huán)境空氣中顆粒物不同粒徑粒子數(shù)濃度的變化。

3 結(jié)論

從機(jī)動(dòng)車道路排放因子來分析機(jī)動(dòng)車排放以細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒為主，但是其占的質(zhì)量權(quán)重低，粒徑在2.5 μm以上的顆粒物數(shù)濃度相對(duì)較低，質(zhì)量權(quán)重大。因此，治理機(jī)動(dòng)車對(duì)環(huán)境空氣污染的對(duì)策分為環(huán)境因素、技術(shù)革新水平兩方面。環(huán)境方面增加公共交通在人們出行的比例、降低道路積塵量、適當(dāng)降低城市發(fā)展規(guī)模、拋棄發(fā)展超大城市的發(fā)展思路、提高城市綠地占比、在污染嚴(yán)重時(shí)采取增加環(huán)境濕度等措施；技術(shù)革新包括提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平、提高電動(dòng)車使用率、提高油品品質(zhì)、提高清潔能源使用率等措施?？傊?，從降低質(zhì)量濃度和降低不同粒徑粒子排放數(shù)量?jī)煞矫嫦嘟Y(jié)合，才能真正降低機(jī)動(dòng)車的道路污染?？茖W(xué)地建設(shè)城市和不斷的技術(shù)革命是降低機(jī)動(dòng)車道路空氣污染的主要方針和措施。

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Study on particle size distribution of particulate matter and vehicle emission factors from traffic source

Hu Yu1, Shang Zhengsong1, Wang Jinle2, Xiao Jinsong1

(1. Guizhou Institute of Environmental Science and Designining, Guiyang 550081;2. Guizhou Fisheries Research Institute, Guiyang 550025, China)

in the Daguan traffic tunnel of Guiyang city, the fine particles emitted from vehicles were measured. Particle with 0.3μ m in diameter was the majority, accounting for 84% of the total number of all fine particles. Particles at the size of 2.5 μm, 5.0 μm and 10.0 μm in diameter had the highest weight and contributed 94% of the total mass concentration. The emission factor of PM2.5for one vehicle was 0.017 g per km, and that of PM10was 0.334 g per km.

particle；emission factors

2014-08-28；2014-09-22修回

胡宇，男，1978年生，碩士，工程師，研究方向：環(huán)境污染防治。E-mail：human_99@163.com

X513

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